DE3820418A1 - Differenzdruckwandler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Diffe­ renzdruckwandler.

Es handelt sich dabei insbesondere um einen Wandler mit einem Paar von Membranen, von denen die eine einem hohen Druck und die andere einem niederen Druck ausgesetzt ist, und welche die beweglichen Elektroden eines variablen Kon­ densators bilden.

Die Verwendung von Differenzdruckwandlern zur Strömungsmes­ sung in industriellen Prozeßsteuersystemen ist bekannt. Um die Strömungsgeschwindigkeit eines Prozeß-Strömungsmediums (Flüssigkeit oder Gas) in einer Rohrleitung zu bestimmen, wird in diese eine mit einer Öffnung versehene Platte einge­ setzt, worin ein Differenzdruckwandler zur Erfassung des Druckabfalls zwischen sich gegenüberliegenden Seiten dieser Platte dient. Dieser Druckabfall hängt direkt mit der Strö­ mungsgeschwindigkeit zusammen (der Druckabfall ist propor­ tional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit).

Eine einfache Form eines kapazitiven Differenzdruckwandlers besteht aus einem Gehäuse, das durch eine elektrisch leiten­ de Membran in ein Paar von Kammern geteilt ist, in denen jeweils eine stationäre Elektrode zur Bildung einer leiten­ den Membran eines Kondensators montiert ist, dessen Kapazi­ tätswert sich als Funktion der Membrandurchbiegung ändert. Von der mit einer Öffnung versehenen Platte wird auf die eine Kammer ein niederer Strömungsmediumdruck und auf die andere Kammer ein hoher Strömungsmediumdruck ausgeübt.

Bei diesem bekannten Differenzdruckwandler bilden die lei­ tende Membran und die stationären Elektroden auf ihren beiden Seiten ein drei Anschlüsse aufweisendes kapazitives Potentiometer, in dem die Membran das variable Element darstellt. Durch Einschaltung dieses Elementes in eine Brückenschaltung, welche mit einer Spannung von beispiels­ weise 10 kHz gespeist wird, bringen die durch die Membran­ auslenkung hervorgerufenen kapazitiven Änderungen die Brücke aus dem Gleichgewicht, wodurch ein Ausgangssignal mit 10 kHz erzeugt wird, dessen Amplitude direkt proportional zum Druck ist.

Die DE-OS 23 64 027 beschreibt einen Differenzdruckwandler mit einem hohlen Metallzylinder und einem darin befindlichen isolierenden Körper, wobei an jedem Ende eine Membran ange­ schweißt ist, welche zusammenhängende, mit einem inkompres­ siblen Strömungsmedium gefüllte Hohlräume einschließen. Diese Membranen bilden mit auf sich gegenüberliegenden Flächen des isolierenden Körpers montierten Filmelektroden Kondensatoren. Da die Membranen aus Metall ein elektrisches Potential führen, kann zwischen ihnen und benachbarten geerdeten Teilen eine Funkenbildung auftreten. Eine solche Funkenbildung stellt für den Fall eines zu messenden brenn­ baren Strömungsmediums eine Gefahr dar.

Ein ähnlicher Differenzdruckwandler unter Verwendung von Membranen aus Metall ist in der US-PS 43 98 194 beschrieben, wobei der Wandler durch ein Paar von sich gegenüberliegen­ den, durch diese Membranen begrenzten Sensorkammern gebildet wird, welche in Verbindungen mit leitenden Schichten auf einem isolierenden Körper variable Kondensatoren bilden. Die zwischen den Membranen und dem Körper gebildeten Hohlraume sind mit einem inkompressiblen dielektrischen Strömungsmedi­ um gefüllt und durch einen einzigen durch den Körper verlau­ fenden Kanal miteinander verbunden. Weitere Wandler dieser Art sind in den US-PS 43 01 492 und 44 58 537 beschrieben. Ein weiterer Wandler der in Rede stehenden Art ist aus der US-PS 45 31 415 bekannt. Darin wird ein Differenzdruckwand­ ler beschrieben, in dem die Membranen aus Keramik oder einem anderen isolierenden korrosionsfesten Material hergestellt sind und auf ihren Innenflächen Filmelektroden besitzen, welche den Endflächen eines isolierenden Körpers zugekehrt sind, auf denen stationäre Elektroden ausgebildet sind. Die Außenflächen der Membranen können daher korrodierenden oder nicht-korrodierenden Prozeß-Strömungsmedien ausgesetzt werden.

Beim Wandler nach der letztgenannten US-PS bilden der iso­ lierende Körper zusammen mit den Membranen ein Paar von Hohlräumen, welche über einen einzigen Einfüllkanal im Körper mit Silikonöl oder einem anderen dielektrischen Strömungsmedium gefüllt werden. Um eine Zerstörung der Membranen aufgrund einer Übersteuerung durch zu große Ein­ gangs-Druckdifferenzen zu verhindern, wird die Auslenkung der Membranen durch erhabene Stützen auf den den Membranen zugekehrten Flächen des isolierenden Körpers begrenzt. In diesen Stützen sind nutenartige Ausnehmungen vorgesehen, welche mit dem Einfüllkanal im Körper verbunden sind, so daß das Öl im Fall einer abrupten Druckänderung schnell verteilt werden kann, wodurch die Ansprechzeit des Wandlers wesent­ lich reduziert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Effizient und zuverlässig arbeitenden hoch empfindlichen kapazitiven Differenzdruckwandler anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Differenzdruckwandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Wandler ist ein kapazitiver Differenz­ druckwandler mit einem trommelförmigen isolierenden Körper an dessen sich gegenüberliegenden Seiten jeweils eine kreis­ förmige Ausnehmung vorgesehen ist, die zur Bildung eines Hohlraums mit einer isolierenden Membran abgedeckt ist. Diese Ausnehmungen besitzen keine erhabenen Stützen. Die Unterseite der Membranen sind ebenso wie die Böden der jeweils zugehörigen Ausnehmung zur Bildung der Elektroden eines variablen Kondensators metallisiert, dessen Wert vom Betrag und der Richtung der Membrandurchbiegung abhängt. Eine Vielzahl von internen Kanälen kleinen Durchmessers, welche zwischen den Böden der Ausnehmungen verlaufen, ver­ binden die Hohlräume. Durch einen dieser Kanäle werden die Hohlräume mit einem inkompressiblen dielektrischen Strö­ mungsmedium gefüllt. Wirkt auf die Fläche einer Membran ein hoher Druck, wodurch diese nach innen durchgebogen wird, so wird das Strömungsmedium in der zugehörigen Ausnehmung durch die Kanäle in die Ausnehmung der unter niederem Druck ste­ henden Membran gepreßt, welche sodann nach außen durchgebo­ gen wird. Da der kombinierte Durchmesser der Kanäle relativ groß ist, ergeben sich ein im wesentlichen freier Strömungs­ weg und eine kurze Wandler-Zeitkonstante. Selbst wenn die Membran in einem solchen Maß nach innen durchgebogen wird, daß sie am Boden der zugehörigen Ausnehmung anstößt und einen oder mehrere Kanäle blockiert, bleiben die verbleiben­ den Kanäle frei und verhindern damit ein Sperren der Membran durch Vakuum oder ein Sperren durch Öberflächenspannung.

Der erfindungsgemäße Differenzdruckwandler besitzt also eine kleine Ansprechzeit bei Druckänderungen, wobei die aus isolierendem korrosionsbeständigem Material hergestellten Membranen durch chemisch aktive Prozeß-Strömungsmedien nicht zerstört werden.

Insbesondere wesentlich für den erfindungsgemäßen Wandler ist, daß die Membranen gegen Zerstörung durch Übersteuerung und auch gegen eine Verriegelung aufgrund eines zu großen Druckes geschützt sind. Eine derartige Verriegelung kann sich aufgrund eines die Durchbiegung der Membran festhalten­ den Vakuums oder durch Oberflächenspannung des Strömungsme­ diums ergeben.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran­ sprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsformen gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsge­ mäßen Differenzdruckwandlers;

Fig. 2 einen Schnitt des Wandlers;

Fig. 3 eine ebene Ansicht einer Fläche des Wandlerkör­ pers bei entfernter Membran;

Fig. 4 den Aufbau eines Wandlers mit lediglich einem Hohlräume verbindenen Kanal; und

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung des Grundes, warum eine Membranverriegelung im Wandler mit einem einzigen Kanal auftritt.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen erfindungsgemäßen kapazitiven Differenzdruckwandler mit einem trommelförmigen isolierenden Körper 10 aus Glas, Keramik, Saphir oder einem anderen geeigneten isolierenden Material mit guten baulichen Eigen­ schaften, das im wesentlichen temperaturunabhängig ist.

In sich gegenüberliegenden ebenen Flächen 10 A und 10 B des Körpers sind kreisförmige Ausnehmungen 11 und 12 vorgesehen. Die Ausnehmung 11 ist durch eine Membran 13 aus durchbiegba­ rem korrosionsbeständigen Isolationsmaterial, beispielswei­ se in Form einer dünnen scheibenförmigen Keramikplatte, hergestellt, wobei der kreisförmige Rand dieser Membran 13, an der die Ausnehmung 11 umgebenden ringförmigen Begrenzung angeklebt oder anderweitig befestigt ist. Die durch die Membran 13 verschlossene Ausnehmung 11 bildet einen Hohl­ raum, wobei die Membran 13 auf einen einwirkenden Hochdruck anspricht.

Entsprechend ist die Ausnehmung 12 durch eine auf Nieder­ druck ansprechende durchbiegbare Membran 14 zur Bildung eines zweiten Hohlraums verschlossen. Es ist darauf hinzu­ weisen, daß die beiden Membranen und die durch sie gebilde­ ten Hohlräume identisch sind und daß die Druckverhältnisse in der Praxis umkehrbar sind, wobei der Hochdruck von einer mit einer Öffnung versehenen Platte in der das zu messende Strömungsmedium führenden Leitung auf die Membran 14 abge­ leitet wird, während der Niederdruck auf die Membran 13 wirkt.

Die Unterseite der Membran 13 ist beispielsweise durch Abscheiden im Vakuum oder mittels einer Dickfilmtechnik metallisiert. Zur Bildung einer beweglichen Elektrode 15 kann auf diese Fläche auch eine Folie aus hochleitendem Me­ tall, wie beispielsweise Gold oder Silber, aufgebracht werden. Entsprechend ist auf einem Boden 11 B der Ausnehmung 11 eine stationäre Elektrode 16 vorgesehen. Diese Elektroden 15 und 16 bilden einen variablen Kondensator, dessen Kapazi­ tätswert sich als Funktion der Membrandurchbiegung ändert.

Entsprechend sind auf der Unterseite der Membran 14 eine Elektrode 17 und auf einem Boden 12 B der Ausnehmung 12 eine stationäre Elektrode 18 zur Bildung eines zweiten variablen Kondensators vorgesehen. Der Grad der möglichen Durchbiegung der Membranen ist durch die jeweilige Ausnehmung begrenzt, wobei die Grenze durch den Maximaldruck im Druckbereich festgelegt ist, für den der Wandler ausgelegt ist. Ein dieses Maximum übersteigender Druck führt zu einer Über­ steuerung der Membran.

Gemäß einer gestrichelten Linie in Fig. 2 wird die Membran 13 bei Erreichen eines zu großen Wertes des einwirkenden Hochdrucks im genannten Bereich abgelenkt, bis sie am Boden 11 B der zugehörigen Ausnehmung anstößt. Eine weitere Erhö­ hung des Drucks führt zu keiner weiteren Durchbiegung der Membran, wodurch eine Übersteuerungszerstörung dieser Mem­ bran verhindert wird. Da die durch die Membranen und die Ausnehmungen definierten Hohlräume mit einem inkompressiblen dielektrischen Strömungsmedium gefüllt sind und die Hohlräu­ me durch den Körper 10 verlaufende interne Kanäle miteinan­ der verbunden sind, führt diese Wirkung bei Durchbiegung der Membran 13 durch einen einwirkenden Hochdruck zu einem Durchpressen des dielektrischen Strömungsmediums im zugehö­ rigen Hohlraum durch die Kanäle in den anderen Hohlraum, wodurch die Membran 14, auf welche der Niederdruck wirkt, nach außen durchgebogen wird.

Der Grad der Durchbiegung der Membran 13 nach innen und der entsprechenden Durchbiegung der Membran 14 nach außen hängt von dem vorhandenen Verhältnis des einwirkenden Hoch- und Niederdrucks des zu messenden Strömungsmediums und damit von dessen Strömungsgeschwindigkeit ab. Dies spiegelt sich im resultierenden Verhältnis der Kapazitätswerte der im Diffe­ renzdruckwandler vorhandenen variablen Kondensatoren wieder.

Die die beiden Hohlräume verbindenden internen Kanäle werden durch einen Innenring aus vier Kanälen D ₁ bis D ₄ kleinen Durchmessers mit einem gleichen Abstand von jeweils 60° sowie einen konzentrischen Außenring von vier Kanälen D ₅ bis D ₈ kleinen Durchmessers mit ebenfalls gleichem Abstand von jeweils 60° gebildet, so daß sich ein Muster von acht inter­ nen Kanälen ergibt. Die Kanäle verlaufen im Körper dabei zwischen dem Boden 11 B der Ausnehmung 11 und dem Boden 12 B der Ausnehmung 12.

Der interne Kanal D ₁ wirkt als Einfüllkanal, der durch eine laterale Innenbohrung 19 mit einer an der Seite des Körpers 10 montierten und einen entfernbaren Einfüllstutzen 21 aufweisenden Einlaßbefestigung 20 in Verbindung steht. Zum Füllen der Hohlräume mit einem dielektrischen Strömungsmedi­ um strömt daher das in die Bohrung 19 eingeleitete Medium in gegensinnigen Richtungen durch den Einfüllkanal D ₁ in die Hohlräume. Dieses Füllmedium kann beispielsweise Silikonöl, ein Polymer von Trifluorvinylchlorid oder ein anderes geeig­ netes inkompressibles dielektrisches Strömungsmedium mit einer hohen Dielektrizitätskonstante sein.

Ist in bekannten Differenzdruckwandlern mit lediglich einem einzigen die Hohlräume verbindenden Kanal der Durchmesser dieses Kanals klein, so ergibt sich ein eingeschnürter Strömungsweg zwischen den Hohlräumen. Wird dabei die unter der Einwirkung von Hochdruck stehendem Membran durchgebogen, um das Strömungsmedium aus dem zugehörigen Hohlraum in den Niederdruck-Hohlraum zu pressen, so verlangsamt die Strö­ mungswegeinschnürung die Strömung. Der Wandler hat daher eine unzulässig große Zeitkonstante (beispielsweise 5 bis 6s). Es ist jedoch eine kurze Zeitkonstante von gewöhnlich etwa einer Sekunde oder weniger erwünscht.

Da erfindungsgemäß der kombinierte bzw. zusammengesetzte Durchmesser des Musters von Kanälen kleinen Durchmessers groß ist, ergibt sich ein im wesentlichen freier Strömungs­ weg zwischen den Hohlräumen, so daß die Zeitkonstante des Wandlers kurz ist und beispielsweise eine Sekunde oder weniger beträgt. Der Wandler spricht daher schnell auf Druckänderungen an.

Die gleiche kurze Zeitkonstante kann durch Verwendung eines einzigen Kanals großen Durchmessers, beispielsweise eines Kanals D ₉ gemäß Fig. 4 erreicht werden, welcher durch Mem­ branen 24 und 25 verschlossene Ausnehmungen 22 und 23 auf­ weist, wobei ein Körper 26 eine mit dem Kanal D ₉ in Verbin­ dung stehende Innenbohrung 27 zum Einfüllen eines Strömungs­ mediums besitzt.

Ein einziger Einfüllkanal großen Durchmessers, wie er bei be­ kannten Wandlern vorhanden ist, besitzt jedoch schwerwiegen­ de Nachteile. Wird beispielsweise gemäß Fig. 5 die Membran 24 durchgebogen, so stößt sie am Boden der Ausnehmung 22 an und blockiert den Kanal 26. Da der auf die Membran wirkende Druck sehr groß und der Durchmesser des Kanals ebenfalls groß ist, preßt sich die Membran gegen den Kanaleingang und saugt sich in diesen hinein, so daß er verstopft wird. Die dabei auftretende Spannung kann die Membran zerstören.

Wirkt der zu große Druck nicht mehr auf die durchbiegbare Membran, so daß diese in ihre Normalstellung zurückzukehren sucht, so entsteht bei dem Herausziehen aus dem Kanaleinlaß ein Vakuum und eine Oberflächenspannung zwischen der Membran und dem Einlaß, welche der Membranbewegung entgegenwirken. Die Membran wird daher verriegelt, so daß der Wandler nicht mehr arbeiten kann.

Beim erfindungsgemäßen Wandler mit vielen Kanälen kleinen Durchmesser kann die Membran aufgrund des kleinen Durchmes­ sers dieser Kanäle nicht unter Bildung einer Ausbuchtung in deren Einläße hineingezogen werden, selbst wenn sie bei Druckübersteuerung einen oder mehrere Kanäle, speziell diejenigen im Innenring, blockiert. Die verbleibenden nicht blockierten Kanäle verhindern daher eine Verriegelung durch eine Vakuumwirkung.

Claims (5)

1. Differenzdruckwandler mit

• A) einem Isolationskörper (10) mit zwei sich gegenüberlie­ genden ebenen Flächen (10 A, 10 B) in denen Ausnehmungen (11, 12) vorgesehen sind,
• B) einem Paar von durchbiegungsfähigen Membranen (13, 14) aus isolierendem korrosionsbeständigem Material, welche die Ausnehmungen (11, 12) abdecken und zur Bildung eines Paars von Hohlräumen an den Flächen (10 A, 10 B) befestigt sind,
• C) jeweils einer Elektrode (15, 17) auf der Unterseite der jeweiligen Membran (13, 14) und jeweils einer Elektrode (16, 18) auf dem Boden der jeweiligen Ausnehmung (11, 12) zur Bildung eines variablen Kondensators, dessen Kapazität sich als Funktion der Membrandurchbiegung ändert,
• D) einer Vielzahl interner Kanäle (D ₁ bis D ₈), welche die Hohlräume miteinander verbinden, jeweils einen kleinen Durchmesser besitzen und zwischen den Böden der Ausnehmungen verlaufen, wobei ein Kanal (D ₁) als Ein­ füllkanal für ein dielektrisches Strömungsmedium zur Auffüllung der Hohlräume und der Kanäle (D ₁ bis D ₈) dient, der Isolationskörper (10) eine Innenbohrung (19) aufweist, die mit dem Einfüllkanal (D ₁) verbunden ist und in einer an einer Seite des Isolationskörpers (10) montierten Strömungsmedium-Einlaßhalterung (20) endet, wodurch bei Einwirkung von Druck auf eine der Membra­ nen (13 bzw. 14) zu deren Einwärtsdurchbiegung das Strömungsmedium in dem zugehörigen Hohlraum durch die Kanäle (D ₁ bis D ₈) in den Hohlraum der anderen, sich dann nach außen durchbiegenden Membran (14 bzw. 13) gepreßt wird, der kombinierte Durchmesser der Kanäle (D ₁ bis D ₈) für eine Realisierung eines im wesentlichen freien Strömungsweges zwischen den Hohlräumen sowie einer kurzen resultierenden Wandler-Zeitkonstante ausreichend groß ist und wobei zum Schutz gegen eine Zerstörung durch Übersteuerung und gegen eine Verriege­ lung durch zu hohen Druck der Abstand der flexiblen Membranen (13, 14) von den Kanälen (D ₁ bis D ₈) und der Kanäle (D ₁ bis D ₈) voneinander groß genug ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isola­ tionskörper (10) aus einem Material der durch Keramik, Glas und Saphir gebildeten Materialklasse gewählt ist.

3. Wandler nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (13, 14) auf die Flächen (10 A, 10 B) des Isolationskörpers (10) aufgeklebt und aus dem gleichen Material hergestellt sind.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (15 bis 18) durch Metallisierung derjenigen Flächen gebildet sind, auf denen sie vorgesehen sind.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (D ₁ bis D ₈) in einem Muster angeordnet sind, das durch gleich beabstandete Kanäle (D ₁ bis D ₄) in einem Innenring und einer gleichen Anzahl von gleichbeabstandeten Kanälen (D ₅ bis D ₈) in einem zum Innenring konzentrischen Außenring gebildet ist.